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世界科技全景百卷书: 摩天大楼的主角
钢筋混凝土 建筑是人类智慧的结晶，埃及的金字塔，中国的万里长城是优秀的代表，这里每一砖每一石都表现出人类的聪明、才智，也渗透着劳动人民的血汗。 在建筑中大概最重要的问题就是如何把那些巨大的石块紧紧地连在一起。这个问题自古以来就想了许多方法，据说，在建长城的时候就用过糯米浆当黏合剂。当然，最常用的是石灰，从山里开采出来的石灰岩在石灰窑里煅烧到900摄氏度，就得到生石灰，生石灰加水以后便成为熟石灰，熟石灰掺入砂子做成灰浆，便成了盖房用的黏合剂了。灰浆在空气中吸收二氧化碳，变成碳酸钙而逐渐凝固起来，从而把砖石牢牢地粘在一起。 但是，这种方法对于水下建筑是不灵的，在水里，灰浆是不能凝固的。 古代罗马人发现，如果把石灰与当地产的一种白榴火山灰混合起来，这种灰浆在水下也能凝固，这就是最早的水泥。 古罗马人用这种水泥建造了许多宏伟的神殿和庙宇，但是这种技术很快就失传了，到了1568年法国建筑师德洛尔姆通过自己的研究才重新发现这种 “罗马混凝土”，因此欧洲后来一直使用这种罗马水泥。 1756年英国名列第三的埃迪斯通灯塔失火，灯塔烧毁，严重地影响航行，因此政府命令当时著名的技师斯密顿组织人力，限期全力抢救。 修建灯塔所需要的“罗马水泥”，必须用意大利的白榴火山灰，但是货源奇缺，面对着这些低品位的原料，斯密顿心急如焚，他决心用现有的材料进行试验。斯密顿从小就对机床，蒸汽机等机械感兴趣，并自己组装了这些机械模型。毕业后，当律师的父亲让他到一位律师那里工作，学了三年律师，但是，由于对于当时不断发展的机械技术感兴趣，他不得不放弃律师的工作，决定到科学器械及数学器具制造厂去工作。他改进了纽可门蒸汽机，还改进了水车、风车这些当时重要的动力机械，成为出名的人物。 他找来许多工人，按照他的配方进行煅烧，每烧出一种新的粉末，就与砂石加水拌合，看看强度如何，工作十分艰苦，每天下来满脸灰尘，烟熏火燎，疲惫不堪，但是斯密顿还是夜以继日地工作着。 “烧出合格的水泥了！” 有一天，工地的工人惊喜地跑来告诉他。他立即跑到工地上，当用一把锤子在上面重重地敲打时，混凝土纹丝不动，是一种结实的建筑材料。 但是，能不能再烧出这样的材料呢？在他的印象里，这一炉的配方和前几次的差不多，为什么质量特别好呢？ 经过仔细地分析才发现，原来这炉用的石灰石是新近运来的，其中含有大量的黏土，大概是黏土起了作用，斯密顿又进行了一连串的实验，证明了确实是这样，他发现含有20％左右黏土的石灰石煅烧以后就变成了水泥。 埃迪斯通灯塔就是用这种材料修成的，这座灯塔在风雨里屹立了 118年。 斯密顿为世界建筑找到了一种廉价的材料，他的著作成为水泥工业的历史文献，而他本人则被人们推崇为水泥工业的奠基人。 说到这儿，我们不得不提一提另一个水泥发明家阿斯普丁，他发明了波特兰水泥，这种水泥因硬得像波特兰岛的石头一样而得名，但是因为他狭隘、自私，到死人们也不知道他的配方，他的工厂的周围有六米高的围墙，比一般的高几倍，外边的人休想从墙外窥视一眼，至于原料的配方，连直接从事操作的技师也无法知道，至今是个谜。 后来，英国的水泥技师约翰逊以顽强的毅力，对波特兰水泥进行了科学的研究，终于在1845年确立了水泥制造的原理，并了解了水泥的物理化学性质，后人把著名的波特兰水泥的发明荣誉归于约翰逊。 石头和水泥是很好的建筑材料，它们能顶住很重的重量，但是不能做栋梁，因为它们容易断裂，19世纪中期有一个叫莫尼埃的花匠解决了这个问题。 在他管理的花园里，奇花异草生机盎然，香气扑人，行人路过此处，无不驻足观赏，流连忘返。为了进一步发展，莫尼埃盖了一个大的温室，温室需要许多大花盆。当时买不到这么大的瓦盆，用木盆价格又太贵，他听说水泥是一种好材料，于是动手做了一些大花盆。花盆做好了，莫尼埃很高兴，但是在他来回搬动花盆的时候，许多花盆裂开了，珍贵的花木受损，使他心痛，他赶快用铁丝一圈一圈地把花盆缠起来，再涂上一层水泥，等水泥干了，他发现这种花盆特别结实，就是用锤子敲打也不会裂开，这就是早期的钢筋混凝土。 一天，一位工程师到花园来看花，看到了莫尼埃的水泥花盆、水池，便劝他把这种技术用到工程上。 莫尼埃的思路大开，他想到既然可以做花盆，当然也可以做蓄水池和铁路的枕木，钢筋混凝土取钢筋耐拉的长处和水泥抗压的特点，形成极好的建筑材料，莫尼埃为此在1867年申请专利。1885他研制了钢筋水泥管，1891年生产了电缆管块。 其实在莫尼埃以前，法国的兰博特就发明了钢筋混凝土，兰博特用钢筋混凝土制作了一个小瓶，1855年曾在巴黎博览会上展出。他还造了一只钢筋水泥船，一直到今天，100多年来一直完好如初。他的发明没有引起人们的广泛重视而使莫尼埃侥幸获得专利，其原因是，一个发明要得到公众的认可必须进行广泛的宣传，莫尼埃在发明钢筋混凝土后立即联想到大量的用途，从而得到了许多土木设计师的钦佩和支持。 19世纪末，水泥工业得到进一步的发展，促进了高层建筑的大发展。 防水水泥和彩色水泥 水泥怕水，这是大家都知道的常识。在运输、保存水泥的时候，如果让它淋了雨、受了潮，它就会结块变硬，失去效力。 有没有办法克服水泥的这一弱点呢？科研人员发明的一种“防水水泥”就不怕雨淋受潮。原来，他们在分析了水泥的特性之后认为，只需要在将水泥磨细时加进一种称为“石油酸钠皂”的不怕水的物质，那么，磨出来的每一颗水泥粉末表面都会有一层防水薄膜，水就不容易渗透进去使它变硬结块了。 这种防水水泥在使用之时，如何让水渗透进去呢？原来，水泥颗粒外的防水膜非常薄，只需要将它和沙子、石块放在一起，加上水搅拌时，砂石的摩擦自然会轻而易举地脱去这层膜，恢复水泥的“庐山真面目”。 这种防水水泥不仅运输、贮存方便，用它配成的混凝土还有膨胀程度小、耐腐蚀性能好、粘性强、不怕冻的优点呢！ 无论是防水水泥，还是普通水泥，其颜色都是青灰色的。人们多么希望科研人员能发明出彩色水泥啊，这样，我们生活的城市将会被装扮得更美更艳。 为了研制彩色水泥，首先必须了解以往水泥的青灰色来自何方？制造水泥的原料多种多样，有的是用石灰石和粘土煅烧而成的，有的是用炼铁高炉产生的废渣制成的，科研人员通过分析证明，这些原料中都含有人称“黑色金属”的铁和锰的成份，一定是铁和锰的成份在作怪！他们决定试制一种不含铁和锰的成份的水泥，看看它究竟是什么颜色的。 可是，要找到不含铁和锰成份的原料并非易事。是餐桌上的瓷碗启发了科研人员：制瓷器的高岭土基本不含有铁质。 有了白粘土，还要有白石头。尽管白石头不少，但有的不适合烧制水泥，有的又价格昂贵，最后，他们选中了海滩上的白贝壳，它不是和石灰石成份基本相同吗？ 终于，洁白的水泥出现了。 有了白水泥，科研人员又在其中加入各种颜料，彩色水泥便呈现在了人们面前：加铬酸铅成了黄色水泥，加氧化铬成了绿色水泥，加氧化钒成了红色水泥，加硫化锡成了金色水泥…… 有一种“气象水泥”，也是在白水泥中加入了二氯化钴及某些特种颜色后发明出来的。空气干燥时，它的颜色是蓝色的；空气潮湿将要下雨时，它因吸收水份而变成红蓝夹杂的紫色；下雨空气湿度很大时，它又会由于大量吸收水份而变成鲜艳的玫瑰红色。 建筑的基石 砖是最古老而重要的传统建筑材料。《旧约全书·创世记》的第11章说， “他们彼此商量说，来吧，我们要作砖，把砖烧透了。他们就拿砖当石头，又拿石漆当灰泥。他们说，来吧，我们要建造一座城和一座塔，塔顶通天……”如果说巴别城的这座塔实际上没有建成，那么，巴比伦塔 （巴别塔的传说来源于此）却是比较经久的，和巴比伦王国的城市建筑一样，也是用砖砌的。底格里斯河平原和幼发拉底河平原一样，是冲积平原，缺乏普通的石头和大理石，而粘土却是很多的。由于缺乏石料，不能做立柱，只好大量采用扶壁柱支撑——这就使建筑物变得又笨重又简单。 巴古伦人（约公元前3000～1250年）的建筑技术传给了尔后的亚述人（到公元前612年）。我们发现早期的埃及王朝（从公元前3200年起）也利用砖来建房屋。比砖更耐久的石料 （埃及的石料来源丰富）用来建纪念性的建筑物，因为带宗教色彩的建筑必须耐久。 大约公元前3500年，美索不达米亚地区的手工砖，是把砖放进砖窑里烧，而不是放在太阳底下晒。在这以前，砖的尺寸很大。由于砖的尺寸大不便烧制，这时已缩小到现在用来盖房子的砖那么大。用砖窑烧制的砖比晒干的砖耐用，用来建造建筑物中受力最大的部分或易腐蚀的部分。因为大量生产烧制砖成本很高，所以常常不得不采用一些权宜之计。乌尔城的大塔 （约公元前2000年）主要是用晒干的砖建的，每隔一段加一层芦席以加强承重能力。烧制的砖只用来砌塔的包层。用上釉的办法甚至可以制出更经久耐用的砖。我们发现在约公元前 1000年左右，美索不达米亚人在这方面进行过试验。 罗马人制砖的技术是很高明的，他们的专门知识可能是从埃及人和希腊人学来的。但是在罗马帝国灭亡后，欧洲的制砖技术便失传了。虽然英国在13世纪已有砖建筑，但是直到亨利八世统治时期才开始广泛地用砖来作建材，而且只用来建造像汉普顿王宫那样的显赫建筑。砖的使用之所以能逐渐普及，第一是砖便宜（任何城市的郊区，只要有适合制砖的泥土就有砖厂），第二是砖能防火（伦敦曾被一场大火烧成一片废墟；它就是用砖和石头重建的）。 沥青的来历 沥青可以从松油和焦油获得，也有以矿物形式存在的沥青。沥青加热时变粘稠，冷却时变坚硬，古时用于建筑，也用来堵缝。要获得沥青，需将木材烧成木炭，从余烬中收集木焦油。在美索不达米亚，矿物形式的沥青基本上是以纯净的形式存在，可从地表沉积物中收集。巴勒斯坦也有这种沉积物。 苏美尔人使用沥青，巴勒斯坦的居民也使用沥青。在耶利哥城的发掘中，发现了一垛用沥青粘合的砖墙，其年代约为公元前2500年至2100年。沥青实际上主要是用作灰泥。巴比伦人作砖活儿时一般都用沥青作粘合剂；印度河谷的人（约公元前2500～2200年）也这样使用沥青。它常常跟烧过的砖和植物纤维混合使用以增加其强度。它除了用来保护砖房外，还用来绝缘，或用来作防潮层。古人在幼发拉底河上建了一座桥，其桥墩的没水部分，表面就涂了一层沥青，以防止腐蚀。 在古代，这种物质的另一个主要用途是使船不漏水：巴比伦的吉尔加麦西及《圣经》上的相应人物诺亚，都谨慎地在他们所乘船只的里层和外层涂上沥青。同样，摩西之所以能安全地到达埃及法老女儿的手中，也是因为他所乘坐的纸莎草摇篮，在放进河里以前用沥青处理过。在没有天然沥青的地方，人们用木焦油来捻船缝，例如，8至10世纪时的北欧海盗的船只，就是用木焦油处理过的绳子来捻缝。 现在，沥青的主要用途是拿来铺路。沥青最先用于这种目的可能是在巴比伦，在铺设供人们列队行进的马路时用它来作粘合剂。现在的柏油马路，是用沥青跟石子混合起来铺路面，再用压路机压平。麦克亚当虽然用自己的姓给这种方法命了名，却鼓吹用碎石铺路，压得很紧就行，无需粘合剂。事实上是特尔福德（1757～1834）发明的沥青路基。 连接金属的焊料 连接金属板的方法主要有四种：螺栓、铆钉、钎焊和熔焊。螺栓是在文艺复兴时期以后才盛行起来的，它是依靠螺纹来连接。熔焊是单靠热而不用焊料把金属连接在一起，它所需要的温度比用焊料要高得多。熔焊可能是铁器时代的真正产物。在图坦卡蒙的陵墓（约公元前1350年）中发现的用熔焊焊接的铁头靠 （它可能是叙利亚的进贡品）就是一个早期的例证。 铆钉 （和销）以及钎焊，是古代最广泛地用来连接金属的方法。铆钉和销的使用比钎焊古老得多。人们并不认为铆钉难看，常常将其纳入整体设计之内。任何焊料的重要特点，都是它的熔化温度比要焊接的金属的熔化温度低得多。最早的焊料可能不是有意识地寻找到的，而是观察到不同来源的金 （有些是金与银或铜的天然合金）有不同的熔化温度时偶然发现的。那时可用实验证明，改变焊料所含金的比例，除了能改变焊料的硬度外，还能改变焊料的熔点。在古代，焊料中的金属成分常常是金和银，金和铜，银和铜。焊料的选择必需小心谨慎，否则焊件会因过热而遭受损坏。到公元前 3000年，近东已经采用钎焊。钎焊的温度比金银制品的熔化温度还要低。现在，在不列颠博物馆内有乌拜德人伊姆一杜朱德的一幅铜板画（早于公元前3000年）。画上雄鹿的叉角就是用钎焊料一块一块地焊接起来的。硬焊可能是在同一时明前后出现的。一位权威断言说，到公元前2500年，乌尔城在金和银的焊接方面已经相当出名了。铜焊，顾名思义，是用铜和黄铜进行焊接的。它像钎焊一样，用途很广。但是，用硬焊料连接金属却是公元前1000年以后的事。 塞利尼在其《金工专论》（1568年第1版）中极夸张地叙述了为法兰西国王铸造一尊银雕像的情况。他写道：“手臂、大腿和躯体，我都是一块一块锤打出来的，头部是一个整块，宛如一个花瓶……我把这几部分焊接起来，固定在一起……我所用的焊料叫做 ‘奥塔沃’——含八分之一盎司铜和一盎司银的焊料。为了进行钎焊，我把几根管子装到大风箱管上，管子制成能从放工件的煤床底部进行鼓风的长度。我用风箱鼓风，使焊料逐渐熔化。我不断鼓风，一会儿从上面进行焊接，一会儿从底部进行焊接，然后进行大部件焊接。著名的法兰西行家们在焊接大部件时未能取得成功……当然，塞利尼解决了这个难题。他采用的办法是首先用银丝焊接部件，然后用煤炭控制焊料的温度。” |
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